Теплообменники — это устройства, которые передают тепло для достижения желаемого нагрева или охлаждения. Важным аспектом проектирования теплообменников является выбор подходящих материалов для быстрого и эффективного проведения и передачи тепла.
Медь обладает множеством полезных свойств для термически эффективных и долговечных теплообменников . Прежде всего, медь является отличным проводником тепла. Это означает, что высокая теплопроводность меди позволяет теплу быстро проходить через нее. Другие желательные свойства меди в теплообменниках включают ее коррозионную стойкость, стойкость к биообрастанию , максимально допустимое напряжение и внутреннее давление, предел ползучести, усталостную прочность , твердость , тепловое расширение , удельную теплоемкость , антимикробные свойства, предел прочности , предел текучести , высокую температуру плавления. , сплав , простота изготовления и простота соединения.
Сочетание этих свойств позволяет использовать медь для теплообменников на промышленных объектах, в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, автомобильных охладителях и радиаторах, а также в качестве радиаторов для охлаждения компьютеров, дисководов , телевизоров, компьютерных мониторов и другого электронного оборудования. [1] Медь также используется в днищах высококачественной посуды , поскольку металл быстро проводит тепло и распределяет его равномерно.
Также доступны немедные теплообменники. Некоторые альтернативные материалы включают алюминий, углеродистую сталь , нержавеющую сталь , никелевые сплавы и титан .
В этой статье основное внимание уделяется полезным свойствам и распространенному применению меди в теплообменниках. Также представлены новые технологии медных теплообменников для конкретных применений.
Теплообменники, использующие медь и ее сплавы, развивались вместе с технологиями теплопередачи за последние несколько сотен лет. Медные конденсаторные трубки впервые были использованы в 1769 году для паровых машин . Первоначально трубки изготавливались из нелегированной меди. К 1870 году металл Мунца , латунный сплав 60% Cu-40% Zn , использовался для конденсаторов при охлаждении морской воды. Адмиралтейский металл, сплав желтой латуни 70% Cu-30% Zn с добавлением 1% олова для повышения коррозионной стойкости, был представлен в 1890 году для эксплуатации в морской воде. [2] К 1920-м годам для военно-морских конденсаторов был разработан сплав 70% Cu-30% Ni. Вскоре после этого для лучшей устойчивости к эрозии был введен сплав с содержанием 2% марганца и 2% железа и меди. Сплав 90% Cu-10% Ni впервые стал доступен в 1950-х годах, первоначально для трубопроводов морской воды. В настоящее время этот сплав является наиболее широко используемым медно-никелевым сплавом в судовых теплообменниках.
Сегодня паровые, испарительные и конденсаторные змеевики изготавливаются из меди и медных сплавов. [3] Эти теплообменники используются в системах кондиционирования и охлаждения , промышленных и центральных системах отопления и охлаждения, радиаторах , резервуарах для горячей воды и системах подогрева пола.
Теплообменники на основе меди могут быть изготовлены с медными трубками/алюминиевыми ребрами, медно-никелевыми или полностью медными конструкциями. Для повышения коррозионной стойкости трубок и ребер можно наносить различные покрытия. [3] [4]
Теплопроводность (k, также обозначаемая как λ или κ) является мерой способности материала проводить тепло . Теплопередача между материалами с высокой теплопроводностью происходит с большей скоростью, чем между материалами с низкой теплопроводностью. В Международной системе единиц (СИ) теплопроводность измеряется в ваттах на метр Кельвина (Вт/(м·К)). В Имперской системе измерения (Британские имперские или имперские единицы ) теплопроводность измеряется в БТЕ/(час•фут⋅Ф).
Медь имеет теплопроводность 231 БТЕ/(час-фут-Ф). Это выше, чем у всех других металлов, кроме серебра, драгоценного металла . Медь имеет коэффициент теплопроводности на 60% выше, чем алюминий, и почти в 30 раз выше, чем нержавеющая сталь. [5]
Доступна дополнительная информация о теплопроводности некоторых металлов. [7]
Коррозионная стойкость имеет важное значение в системах теплопередачи, где используются жидкости, например, в резервуарах с горячей водой, радиаторах и т. д. Единственным доступным материалом, который имеет такую же коррозионную стойкость, как и медь, является нержавеющая сталь. Однако теплопроводность нержавеющей стали в 1/30 раза выше, чем у меди. Алюминиевые трубы не подходят для питьевой или неочищенной воды, поскольку они корродируют при pH <7,0 и выделяют газообразный водород. [8] [9] [10]
На внутреннюю поверхность труб из медного сплава можно наносить защитные пленки для повышения коррозионной стойкости. В некоторых случаях пленка состоит из железа. В конденсаторах электростанций используются дуплексные трубки, состоящие из внутреннего слоя из титана и внешнего из медно-никелевых сплавов. Это позволяет использовать полезные механические и химические свойства меди (например, коррозионное растрескивание под напряжением, воздействие аммиака) наряду с превосходной коррозионной стойкостью титана. Дуплексная трубка с внутренней алюминиевой латунной или медно-никелевой поверхностью и внешней из нержавеющей или мягкой стали может использоваться для охлаждения в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. [11]
Медь и медно-никелевые сплавы обладают высокой естественной устойчивостью к биообрастанию по сравнению с альтернативными материалами. Другие металлы, используемые в теплообменниках, такие как сталь, титан и алюминий, легко загрязняются. Защиту от биообрастания, особенно в морских сооружениях, можно обеспечить в течение длительного периода времени с помощью металлической меди.
Медно-никелевые сплавы зарекомендовали себя на протяжении многих лет в трубопроводах морской воды и других морских применениях. Эти сплавы противостоят биообрастанию в открытом море, где они не позволяют накапливаться микробной слизи и поддерживают макрообрастание. [12]
Исследователи объясняют устойчивость меди к биообрастанию, даже в водах умеренного климата, двумя возможными механизмами: 1) замедляющей последовательностью колонизации за счет медленного высвобождения ионов меди во время процесса коррозии, тем самым препятствуя прикреплению микробных слоев к морской поверхности; [13] и/или 2) разделение слоев, содержащих продукты коррозии и личинки макрокорковых организмов. [14] Последний механизм сдерживает заселение пелагических личиночных стадий на поверхности металла, а не убивает организмы.
Благодаря сильным антимикробным свойствам меди медные ребра могут подавлять рост бактерий, грибков и вирусов, которые обычно накапливаются в системах кондиционирования воздуха. Следовательно, поверхности теплообменников на основе меди остаются чище в течение более длительного периода времени, чем поверхности теплообменников из других металлов. Это преимущество значительно увеличивает срок службы теплообменника и способствует улучшению качества воздуха. Теплообменники, изготовленные отдельно из антимикробной меди и алюминия в полномасштабной системе отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, были оценены на предмет их способности ограничивать рост микробов в условиях нормальной скорости потока с использованием однопроходного наружного воздуха. В обычно используемых алюминиевых компонентах в течение четырех недель эксплуатации образовались стабильные биопленки бактерий и грибков. За тот же период антимикробная медь смогла ограничить бактериальную нагрузку, связанную с медными ребрами теплообменника, на 99,99% и грибковую нагрузку на 99,74%. [15] [16] [17]
Кондиционеры с медными ребрами были установлены на автобусах в Шанхае, чтобы быстро и полностью уничтожить бактерии, вирусы и грибки, которые ранее процветали на немедных ребрах и позволяли циркулировать по системам. Решение заменить алюминий медью последовало за антимикробными испытаниями Шанхайского муниципального центра по контролю и профилактике заболеваний (SCDC) с 2010 по 2012 год. Исследование показало, что уровни микробов на медных ребрах были значительно ниже, чем на алюминиевых, что помогает защитить здоровье пассажиров автобуса. [17] [18]
Доступна дополнительная информация о преимуществах антимикробной меди в системах отопления, вентиляции и кондиционирования. [19] [20] [21]
Медная труба с внутренними канавками меньшего диаметра более термически эффективна, материалоэффективна, ее легче сгибать, развальцовывать и работать с ней другими способами. Как правило, трубы с внутренними канавками легче сделать из меди, очень мягкого металла.
Медные сплавы широко используются в качестве трубок теплообменников на ископаемых и атомных парогенерирующих электростанциях , химических и нефтехимических заводах, в морских службах и на опреснительных установках.
Наибольшее использование трубок теплообменников из медного сплава в расчете на единицу приходится на электростанции. Эти установки содержат поверхностные конденсаторы, нагреватели и охладители, все из которых содержат медные трубы. В главном поверхностном конденсаторе, принимающем паровые турбины, используется больше всего меди. [2]
Медно-никелевый сплав — это группа сплавов, которые обычно используются в теплообменниках или конденсаторных трубках испарителей опреснительных установок, заводов перерабатывающей промышленности, зон воздушного охлаждения тепловых электростанций, подогревателей питательной воды высокого давления и трубопроводов морской воды на судах. [11] Состав сплавов может варьироваться от 90% Cu–10% Ni до 70% Cu–30% Ni.
Трубки конденсатора и теплообменника из мышьяковистой адмиралтейской латуни (Cu-Zn-Sn-As) когда-то доминировали на рынке промышленного оборудования. Позднее популярность алюминиевой латуни возросла из-за ее повышенной коррозионной стойкости. [22] Сегодня сплавы алюминия и латуни, 90% Cu-10% Ni и другие медные сплавы широко используются в трубчатых теплообменниках и системах трубопроводов в морской , солоноватой и пресной воде . Сплавы алюминия и латуни, 90% Cu-10% Ni и 70% Cu-30% Ni демонстрируют хорошую коррозионную стойкость в горячей деаэрированной морской воде и рассолах на многоступенчатых установках мгновенного опреснения. [23] [24]
Теплообменники с жидкостным охлаждением с фиксированными трубками, особенно подходящие для морского и сурового применения, могут быть собраны с латунными кожухами, медными трубками, латунными перегородками и цельными концевыми ступицами из кованой латуни. [25]
Трубки из медного сплава могут поставляться либо с блестящей металлической поверхностью (CuNiO), либо с тонким, прочно прикрепленным оксидным слоем (алюминиевая латунь). Эти виды отделки позволяют сформировать защитный слой. [24] Защитная оксидная поверхность лучше всего достигается при эксплуатации системы в течение нескольких недель с чистой кислородсодержащей охлаждающей водой. Пока формируется защитный слой, можно принять поддерживающие меры для улучшения процесса, например, добавление сульфата железа или периодическую очистку трубок. Защитная пленка, образующаяся на сплавах Cu-Ni в аэрированной морской воде, созревает примерно через три месяца при температуре 60 °F и со временем становится все более защитной. Пленка устойчива к загрязненной воде, неравномерной скорости движения и другим суровым условиям. Более подробная информация доступна. [26]
Устойчивость медно-никелевых сплавов к биообрастанию позволяет теплообменным установкам работать в течение нескольких месяцев между механическими очистками. Тем не менее, очистка необходима для восстановления исходной способности теплопередачи. Впрыск хлора может увеличить интервалы механической очистки до года и более без вредного воздействия на сплавы Cu-Ni.
Дополнительную информацию о теплообменниках из медных сплавов для промышленных объектов можно получить. [27] [28] [29] [30]
Солнечные водонагреватели могут быть экономически эффективным способом получения горячей воды для домов во многих регионах мира. Медные теплообменники важны в системах солнечного теплового отопления и охлаждения из-за высокой теплопроводности меди, устойчивости к атмосферной и водной коррозии, герметизации и соединения пайкой, а также механической прочности. Медь используется как в ресиверах, так и в первичных контурах (трубах и теплообменниках резервуаров для воды) солнечных термальных водных систем. [31]
Доступны различные типы солнечных коллекторов для жилых помещений либо с прямой циркуляцией (т. е. нагревают воду и доставляют ее непосредственно в дом для использования), либо с непрямой циркуляцией (т. е. прокачивают жидкий теплоноситель через теплообменник, который затем нагревает воду, течет в домашние) системы. [32] В вакуумном трубчатом солнечном водонагревателе с системой непрямой циркуляции вакуумные трубы содержат стеклянную внешнюю трубку и металлическую поглотительную трубку, прикрепленную к ребру. Солнечная тепловая энергия поглощается вакуумными трубками и преобразуется в полезное концентрированное тепло. Вакуумированные стеклянные трубки имеют двойной слой. Внутри стеклянной трубки находится медная тепловая трубка. Это герметичная полая медная трубка, содержащая небольшое количество теплоносителя (воды или смеси гликоля), который под низким давлением кипит при очень низкой температуре. Медная тепловая трубка передает тепловую энергию изнутри солнечной трубки в медный коллектор. По мере того как раствор циркулирует через медный коллектор, температура повышается.
Другие компоненты солнечных систем термальной воды, содержащие медь, включают баки солнечного теплообменника и солнечные насосные станции, а также насосы и контроллеры. [33] [34] [35] [36] [37]
Кондиционирование воздуха и отопление в зданиях и автомобилях являются двумя крупнейшими сферами применения теплообменников . Хотя в большинстве систем кондиционирования и охлаждения используются медные трубки, в типичных кондиционерах в настоящее время используются алюминиевые ребра. Эти системы могут содержать бактерии и плесень, а также выделять неприятные запахи и загрязнения, которые могут привести к ухудшению их работы. [38] Новые строгие требования, в том числе требования к повышению эксплуатационной эффективности и сокращению или устранению вредных выбросов, повышают роль меди в современных системах отопления, вентиляции и кондиционирования . [39]
Антимикробные свойства меди могут повысить производительность систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и связанное с этим качество воздуха в помещениях . После обширных испытаний медь стала зарегистрированным в США материалом для защиты поверхностей оборудования для отопления и кондиционирования воздуха от бактерий, плесени и грибка . Кроме того, испытания, финансируемые Министерством обороны США, показывают, что кондиционеры, полностью изготовленные из меди, подавляют рост бактерий, плесени и грибка, которые вызывают запахи и снижают энергоэффективность системы . Устройства, изготовленные из алюминия, не продемонстрировали такого преимущества. [40] [41]
Медь может вызвать гальваническую реакцию в присутствии других сплавов, приводящую к коррозии. [42]
Нагрев воды является вторым по величине потреблением энергии в доме. Газо-водяные теплообменники, которые передают тепло от газообразного топлива к воде, мощностью от 3 до 300 киловатт (кВт.ч.), широко используются в жилых и коммерческих целях для нагрева воды и отопительных котлов.
Растет спрос на энергоэффективные компактные системы водяного отопления. Проточные газовые водонагреватели производят горячую воду при необходимости. Медные теплообменники являются предпочтительным материалом для этих агрегатов из-за их высокой теплопроводности и простоты изготовления. Для защиты этих устройств в кислой среде доступны прочные покрытия или другие виды обработки поверхности. Кислотостойкие покрытия способны выдерживать температуру до 1000°С. [43] [44]
Воздушные тепловые насосы уже много лет используются для отопления и охлаждения жилых и коммерческих помещений. В этих агрегатах используется теплообмен воздух-воздух через испарительные агрегаты, аналогичные тем, которые используются в кондиционерах. Ребристые водовоздушные теплообменники чаще всего используются в системах принудительного воздушного отопления и охлаждения, например, в дровяных печах, котлах и печах внутри и снаружи помещений. Они также могут подходить для систем жидкостного охлаждения. Медь используется в подающих и возвратных коллекторах, а также в змеевиках труб. [8]
Технология геотермального теплового насоса, также известная как «земляной источник», «с заземлением» или «прямой обмен», основана на циркуляции хладагента через подземные медные трубы для теплообмена. Эти агрегаты, которые значительно более эффективны, чем их аналоги с воздушным источником, полагаются на постоянство температуры грунта ниже зоны замерзания для передачи тепла. В наиболее эффективных геотермальных тепловых насосах используются медные трубы ACR, типа L или специальные размеры, закопанные в землю, для передачи тепла в кондиционируемое помещение или из него. Гибкую медную трубку (обычно от 1/4 до 5/8 дюйма) можно закапывать в глубокие вертикальные ямы, горизонтально в относительно мелкой сетке, в вертикальном ограждении в траншеях средней глубины или в индивидуальных конфигурациях. . Дополнительная информация доступна. [45]
Медь и алюминий используются в качестве радиаторов и тепловых трубок в системах электронного охлаждения. Радиатор — это пассивный компонент, который охлаждает полупроводниковые и оптоэлектронные устройства путем рассеивания тепла в окружающий воздух. Радиаторы имеют температуру выше, чем окружающая их среда, поэтому тепло может передаваться в воздух посредством конвекции , излучения и проводимости .
Алюминий является наиболее широко используемым материалом для радиаторов из-за его более низкой стоимости. [46] Медные радиаторы необходимы, когда требуется более высокий уровень теплопроводности. Альтернативой полностью медным или полностью алюминиевым радиаторам является соединение алюминиевых ребер с медным основанием. [47]
Медные радиаторы отлиты под давлением и соединены между собой пластинами. Они быстро распространяют тепло от источника тепла к медным или алюминиевым ребрам и в окружающий воздух.
Тепловые трубки используются для отвода тепла от центральных процессоров (ЦП) и графических процессоров (ГП) к радиаторам, где тепловая энергия рассеивается в окружающую среду. Медные и алюминиевые тепловые трубки широко используются в современных компьютерных системах, где повышенные требования к мощности и связанное с этим тепловыделение приводят к увеличению требований к системам охлаждения.
Тепловая трубка обычно состоит из герметичной трубы или трубки как на горячем, так и на холодном концах. Тепловые трубы используют испарительное охлаждение для передачи тепловой энергии из одной точки в другую путем испарения и конденсации рабочей жидкости или охлаждающей жидкости. Они принципиально лучше проводят тепло на большие расстояния, чем радиаторы, поскольку их эффективная теплопроводность на несколько порядков выше, чем у эквивалентного твердого проводника. [48]
Когда желательно поддерживать температуру перехода ниже 125–150 °C, обычно используются медно-водяные тепловые трубки. Тепловые трубки из меди/ метанола используются, если приложение требует работы тепловых трубок при температуре ниже 0 °C. [49]
Преимущества медных трубок с внутренними канавками меньшего диаметра для теплопередачи хорошо известны. [50] [51]
Змеевики меньшего диаметра имеют лучшие показатели теплопередачи, чем змеевики обычного размера, поэтому они могут выдерживать более высокое давление, необходимое для нового поколения более экологически чистых хладагентов. Змеевики меньшего диаметра также требуют меньших материальных затрат, поскольку для них требуется меньше хладагента, ребер и материалов змеевиков; и они позволяют создавать меньшие по размеру и более легкие высокоэффективные кондиционеры и холодильники, поскольку змеевики испарителей и конденсаторов меньше и легче. MicroGroove использует рифленую внутреннюю поверхность трубки для увеличения соотношения поверхности к объему и увеличения турбулентности для смешивания хладагента и гомогенизации температуры по трубке. [52] [53] [54]
Новой технологией изготовления теплообменников является 3D-печать . С помощью 3D-печати вы можете создавать сложные формы и внутренние каналы. Это приводит к высокой производительности теплообменников. [55] Напечатанный теплообменник предназначен в основном для промышленности. Теплообменники могут быть напечатаны из чистой меди, сплава CuCrZr и CuNi2SiCr.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )